Feladat: 3540. fizika feladat Korcsoport: 18- Nehézségi fok: nehéz
Megoldó(k):  Szekeres Balázs 
Füzet: 2002/október, 438 - 440. oldal  PDF  |  MathML 
Témakör(ök): A Föld mozgásával kapcsolatos jelenségek, Egyenletes körmozgás, Newton-féle gravitációs erő, Feladat
Hivatkozás(ok):Feladatok: 2002/május: 3540. fizika feladat

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

A SOHO a Nap és a Föld között helyezkedik el, a Nap körül kering a Földdel egyező szögsebességgel. A centripetális erő a Nap és a Föld által kifejtett gravitációs erő eredője (a többi égitest hatásától eltekintünk). A mozgásegyenlet:

m(R-r)ω2=fmMN(R-r)2-fmMFr2,(1)
ahol R a Nap-Föld távolság, r a SOHO Földtől mért távolsága. Felírhatjuk még a Föld mozgásegyenletét:
MFRω2=fMNMFR2.(2)
A fenti két egyenlet hányadosa
(R-r)R=R2(R-r)2-R2r2MFMN,
ami az x=r/R és μ=MF/MN jelölésekkel
x2-(1-x)2μ=(1-x)3x2.(3)
Ez az x-ben ötödfokú egyenlet, amely (μ konkrét számértékét behelyettesítve) számítógéppel, vagy grafikusan közelítőleg megoldható. A 0<x<1 tartományban egyetlen megoldás van:
x0,01,azazr1,5106km.  

Úgy is eljárhatunk, hogy a (3) egyenletet algebrai átalakításokkal
μ=3x3[1+3x-2x23(1-x)2](4)
alakra hozzuk, majd kihasználjuk, hogy a Föld tömege sokkal kisebb, mint a Nap tömege, nevezetesen
μ=3,0110-61.
Emiatt x is 1-nél sokkal kisebb szám kell legyen, tehát a szögletes zárójelben levő tört kifejezés az 1 mellett jó közelítéssel elhanyagolható. Ekkor viszont az egyenlet
μ3x3,
ahonnan
xμ/33,azazrRMF/3MN3=1,5106km.

A SOHO ugyan a Nap és a Föld között helyezkedik el, létezik azonban a Nap-Föld egyenesen még 2 pont, ami megfelelő lenne. Az egyik ilyen pont a Földnek a Nappal ellentétes oldalán van, a Földtől r1,5106km távolságban, a másik pedig a Napnak a Földdel ellentétes oldalán a Naptól kb. R, vagyis a Földtől r2R távolságra. Ez a két pont a napkitöréseket észlelő műholdak szempontjából nyilván érdektelen.
Szekeres Balázs (Szolnok, Verseghy F. Gimn., 11. o.t.) dolgozata alapján
 

Megjegyzések. 1. A mozgásegyenlet megoldása során lehet kevésbé jó közelítést is végezni. Az (1) egyenlet
mrω2=fmMFr2+fmMNR2-fmMN(R-r)2(5)
alakra is hozható. A jobb oldal második és harmadik tagja rR esetén egymástól nem sokban különbözik, ezért arra gondolhatnánk, hogy egymást majdnem kiejtik. Ha elhagyjuk ezt a két tagot, akkor lényegében azt a gondolatmenetet követjük, hogy a SOHO tulajdonképpen a Föld körül kering ω szögsebességgel, és a Nap hatása a műholdra elhanyagolható. A várt 1%-os hiba helyett azonban mintegy 40%-os hibával kapjuk csak meg az eredményt. Ennek az az oka, hogy (5) jobb oldalának utolsó két tagja valóban majdnem kiejti egymást, de MNMF miatt az egyikükhöz vagy másikukhoz képest kicsiny különbségük azonos nagyságrendű a jobb oldal első tagjával.
2. A megoldásban tárgyalt három ,,egyensúlyi'' pont öt nevezetes pont, az ún. Lagrange-pontok közé tartozik. Ezek bármelyikében a Földhöz és a Naphoz képest kicsiny tömegű test a Föld keringésével együtt forgó vonatkoztatási rendszerből nézve egyensúlyban lenne. A negyedik és az ötödik Lagrange-pont annak a két szabályos háromszögnek harmadik csúcsa, amelyek a Föld keringési síkjában vannak, és egyik oldaluk a Nap-Föld szakasz. Érdekes, hogy csak ez a két utóbbi stabil egyensúlyi pont, az előző három instabil. Ez azt jelenti, hogy a stabil egyensúlyi helyzetből kicsit kimozduló test visszatér oda, vagy az egyensúlyi pont közelében periodikus mozgást végez. Az instabil pontokból kimozduló test viszont ‐ ha egyéb erő nem hat rá ‐ egyre jobban eltávolodik onnan. A stabil Lagrange-pontokban ténylegesen megfigyelhető az ott összegyűlt ,,kozmikus törmelék'', a SOHO-nak viszont ‐ mivel instabil Lagrange-pontban tartózkodik ‐ állandóan korrigálni kell a pályáját, ha azt akarjuk, hogy hosszabb ideig ott maradjon.
(G. L.)